Устройство для измерения ударных ускорений

СОВЕТСКИХ ЩЗВЛЮЕ ЕП 1 И ИКРЕСПУБЛ 1)501 Р 21/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯЦ иПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕ ОТКРЫТ ЗОБ РЕТЕН ОПИСАНИН АВТОРСКОМ(71.) Научно-исследовательский институт измерительной техники (72) М.А.Никитин, Г.М Пушкарев и В.С.Лузгин(56) Клюев В.В.Приборы и системы для изме 1 ений вибраций, шума и удара, т.1, И.:Машиностроение, 1978, с.186.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМБРЕНИЯ УЧДРНЫХУСКОРЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике. При встрече объекта испытаний с преградой возникает ускорение и инерционные элементы 4 одновременно воздеиствуют на крешерные столбики 5 с силой, проп орциона льной массам инерционных элементов 4, деформируя конусные части столбиков 5, Одновременно возбуждаются продольные собственные колебания объекта испытаний. С целью повышения точности и информативности измерений высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего столбика на множитель 1,7-1,8, а массы М инер. ционных элементов определяются по определенной формуле, а частота колебаний предыдущей массы инерционного элемента на крешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1,4, 8 ил.орректор С Шекмар эориэ еда кто КНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород агарина, 1 О 1:Заказ 2000 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Рауаская наб., д, 4/51 7393Изобретение относится к измерительной технике, в частности к изме"рению параметров удара с помощью кон.тактных предельных преобразователей.Известно устройство для измеренияударных воздействий с помощью контактных предельных преобразователей(крешеров), представляющих медный ци"линдр с конусной вершиной, на которую 0воздействует инерционный элемент приторможении движущегося тела, на котором установлен крешер,По степени смятия конуса крешерасудят о предельной величине силы,воздействующей при торможении. Поизмеренному значению силы определяется и сообщенное телу. ускорение.Известно также устройство, гдеиспользуется несколько тензодатчиков, 3)наклеенных на один крешерный запоминающий столбик, при этом тензодатчикфиксирует ускорение от массы столбика,расположенной выше него и, таким образом, каждый тензодатчик обладаетсвоей чувствительностью.Этим достигается расширение диаОпазона измерения амплитуды ударного. импульса.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительномуэффекту к предлагаемому является уст"ройство, представляющее собой несколько инерционных элементов, установленных с помощью пружин на различные, заранее определенные расстояния от конусных головок соответствующих крешеров, Предполагается, что приударном торможении или разгоне инерционные элементы будут воздействоватьна крешеры с заранее обусловленнымивременами задержки, что при учетеразличных величин деформаций позволяет получить огибающую переднегофронта ударного импульса,Однако с помощью известного уст- фройства .может быть исследована лишьвозрастающая часть импульса, т.е.его передний фронт, потому что боль"шинство реальных ударных импульсовимеет сложную форму и их исследование данным способом не позволяетполучить даже приближенную картинуударного импульса.Например, при воздействии ударно"го импульса на торец цилиндрическоготела в цилиндре возбуждаются собст"венные продольные колебания, в ре"зультате чего как цилиндр, так и 02 4установленный на нем измерительный преобразователь будут испытывать воз" действие от ударного импульса с наложенной на него синусоидой собственных колебаний цилиндра. Таким образом, воздействие ударных импульсов даже простой формы таких как прямо" угольны" треугольный, полусинусоидальный на физическое тело приводитк наложению на ударный импульс собственных колебаний исследуемого тела. При этом амплитуда наложенных колебаний может в несколько раз превосходить амплитуду.исходного удар" ного импульса. В этом случае несколько крешеров фиксируют передний фронт наложенного колебания, что совершен" но искажает картину первичного возбуждающего импульса.Цель изобретения - повышение точности и информативности измерений ускорения прямоугольных ударных импульсов с наложенной синусоидой.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения ускорений импульсов с помощью контактных предельных преобразователей, содер" жащем крешерные столбики, размещенные между основанием и инерционными элементами, высота цилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышает высоту последующего на множитель 1,7-(,8, а массы инерционных элементов определяют по формуле-О+ 45 -ООО,где А = ЯКа 1 - ЕЯКа0,7 0,7в О,брОО.а 1+ 1 О 1 + р Ока 7 яМ (О, 1 б 71 Я - 0,53 Е)+ ЕЯ )(А(1 б)- О 1 б 7 РЕ 1 КафЯКафлЛт ещ щщ 7уй )С ОбрОО 101 + р 510,5 ЕО(1 -1 )+739302 бний, на все предельные преобразователи будет воздейстововать знакопере.менная нагрузка, наложенных на основной прямоугольный ударный импульсколебаний, в некоторых случаях превышающая основной импульс в 5-10 раз.Но фиксирует эту наложенную синусоиду ускорения только тот преобразователь, собственная частота которого, после воздействия основногопрямоугольного ударного импульса,приведшего к частичной деформацииконусной части крешерного столбика,близка частоте продольных колебанийобъекта испытаний. Преобразователи,собственная частота которых отлицается на величину, большую половины полосы частот от наложенной си 2 О нусоиды в спектре .частот, не фиксируют ускорения наложенной синусоидыи их деформация будет соответствовать усокрению прямоугольного импульсаа,2 д При движении тела, например, вформе удлиненного цилиндра, в направлении его продольной оси и тормозящегося при встрече с преградойоднородного состава, выполненной,ЭО например, в виде тонкостенного ящи"ка с песком, на цилиндр нацинает действовать тормозящая сила постоянной величины, поскольку тормозящаясила однородна. При этом сила на чинает действовать на цилиндр практически мгновенно, с максимальнойамплитудой, и с момента встречи.спреградой до момента остановки цилиндра или прохождения цилиндром40преграды амплитуда ускорения будетпрактически неизменной. Тяким образом, воздействующее на цилиндр ускорение можно представить как прямоугольный скачок ускорения,5 11 - полная высота коническойчасти столбика, м;Е - модуль упругости материаластолбика, Па,- плотность материала столбика,кг/и ;- угол вершины конуса столбика,а - величина предполагаемогоускорения, м/сЯ - задаваемая собственная частота колебаний массы инерционного элемента на крешер"ном столбике;1 - высота цилиндрической частикрешерного столбика, м,При этом собственная частота колебаний массы предыдущего инерционного элемента на крешерном столбикеменьше частоты последующего на делитель 1, 4.На фиг. 1 схематически изображенобъект испытаний, на. Фиг.2 - кассета с несколькими преобразователями,разрез, на фиг.3-8 - схемы для иллюстрации работы предлагаемого устройства.Кассета 2 устанавливается внутриобъекта 1 испытаний имеющего форму,например, удлиненного цилиндра изакрывается крышкой 3, В кассете 2размещено несколько предельнных преобразователей, состоящих из инерционных элементов 4, обладающих раз"личными массами и крешерных .столбиков 5, имеющих различную высоту,Резьбовые пробки 6 фиксируют преобра"зователи, обеспечивают контакт инер-ционных элементов 4 со столбиками 5.Устройство работает следующимобразом; При встрече объекта 1 испытаний с преградой возникает ускорение, и инерционные элементы 4 одновременно воздействуют на крешерные столбики 5 с силой, пропорциональной массам инер- ционных элементов 4, деформируя конусные части столбиков 5. Одновременно возбуждаются продольные собственные колебания объекта 1 испытаний. При погружении всего объекта в пре. граду (грунт, песок), тормозящее ускорение достигает максимума и стабилизируется на данном уровне,Деформация всех крешерных столби" ков на этом этапе будет соответствовать максимуму ускорения торможенияОднако вследствие продольных . колебаний самого объекта 1 испытаПри остановке цилиндра или пробивания им преграды тормозящее ускорение мгновенно изменяется от максимального значения до нуля, Таким образом, воздействующее на цилиндр ускорение имеет форму прямоугольного импульса с длительностьюи, цельР,состоит в измерении. его амплитуды аОднако возникающий при встрече с преградой прямоугольный скачок ускорения возбуждает в цилиндре собственные продольные колебания практицески всех форм.1Частоту собственных основных продольных колебаний свободного цилинд- .ра определяют формулой05 Ге- плотность материала цилинд"ра, кг/м,Собственные колебания цилиндра,равно как и тела любой другой Формы,накладываются на начальный прямоугольный импульс, усложняя картинуудара . При определенных условияхамплитуда таких наложенных колебаний может превосходить амплитуду прямоугольного импульса.При измерении параметров удараконтактный предельный преобразователь устанавливается на самом циФлиндре и воспринимает удар как пря-,моугольный импульс с наложенной, синусоидой собственных колебаний цилиндра, .частоту которых считаем заданной. Инерционный элемент контактного предельного преобразователя,опирающийся на конусную вершину крешера, также обладает собственнойчастотой колебаний. 8 случае совпадения этой частоты или ее близостик заданной частоте собственных продольных колебаний цилиндра показаниякрешера, вследствие "раскачки" инерционного элемента на его собственнойчастоте, превысят амплитуду прямо,угольного импульса в 5-10 раз (фиг,4),В данном случае колебательной сис"темой является одномассовая система,образованная массой инерционного эле"мента, колеблющегося на крешере. Призначении амплитуды наложенных колебаний, равном амплитуде прямоугольногоимпульса (К = 1,0), коэффициенте затухания наложенных колебаний 3 = 1,0и .числе периодов .наложенных колебанийна длительности с импульса, равномл10 (и = 10), при значении нормированной частоты Е колебаний системы инер-ционная масса - крешер, равном 20,Е определяют по формулеЕу фгде Я - собственная частота коле"обаний инерционного элементана крешере,где 1 Е739302 8Крешер Фиксирует ускорение, в11 раз превышающее амплитуду прямоугольного импульса (Фиг.б) .Рассматривая спектр текущей реакции системы на прямоугольный удар,нй импульс (фиг.3), можно увидеть,что измерение подобного удара, осуществлю:от с помощью даже одного кре"1 р вера. При любой относительной соб, ственной частоте крешера Е, превышающей единицу, будет зафиксирована удвоенная амплитуда при любойдлительности удара Йусложнениевносит наложенная на прямоугольныйимпульс синусоида.Сравнивая спектр текущей реакциисистемы на прямоугольный ударный импульс (фиг.3) и спектры текущей ре 20 акции системы на прямоугольный ударный импульс с наложенной синусоидойпри различной относительной длитель"ности (фиг.4 и 6), можно увидеть,что основной вклад наложенной сину 25 соиды в спектры заключается в пикес центральной относительной частотой Е = 2 п, где и - число периодовналоженной синусоиды в длительностиударного импульса.Пик возникает при совпадении частоты собственных колебаний системы ф инерционная масса - крешер с частотой наложенных колебаний.Анализируя спектры, можно уви-.деть, что если придать нескольким35крешерам собственные частоты колебаний так, чтобы интервал ЬЕмежду частотами составлял половину.ширины пика в спектре текущей ре"акции, образованного наложенной напрямоугольный импульс синусоидой,то из полученных результатов измере", ний можнр сделать следующие выводы:если все измерения близки одно дру"гому, то пик или выше или ниже почастоте относительно группы частоткрешеров и среднее арифметическоезначение их показаний соответствуетудвоенному ускорению прямоугольногоимпульса, если одно из измерений существенно превосходит остальные, этозначит, что пик попал на частотукрешера или близок к ней.Следовательно, среднее арифмети 55ческое значение показаний остальныхкрешеров соответствует удвоенномуускорению прямоугопьного импульса,ускорение от заданной наложенной си"нусоиды равно разности максимально9 1го и среднего арифметического значе"ния минимальных показаний крешерныхстолбиков, а частота заданной нало 1женной синусоиды соответствует собственной частоте колебаний крешера,зафиксировавшего максимальное ускорение.Для практической реализации необходимо изменить конструкцию преобразователя так, чтобы можно было изменять собственные частоты колебанийинерционных элементов на крешерныхстолбиках в достаточно широких пре"делах. Поскольку преобразователькомпактный и. конструктивно простой,наиболее приемлемое изменение егоконструкции состоит в изменении высот цилиндрических частей несколькихкрешерных столбиков и масс инерционных элементов.В этом случае собственные частоты колебаний инерционных элементовна крешерных столбиках, образующиеодномассовые колебательные системы(Фиг.5), в зависимости от масс инерционных элементов и высот цилиндрических частей крешерных столбиковимеют различные высоты,Собственная частота колебанийодномассовой системы определяетсяформулой1 1цили МС = , . (3)4 МСгде Я- собственная частота, 1/с,И - масса инерционного элемента,кгС - коэффициент податливости кршерного столбика, м/Н,Инерционный элемент контактногопреобразователя выполняется из шлифованой закаленной стали, а крешер"ные столбики (фиг.7) - из специальногосорта "крешерной" меди. Ввидуразницы в модулях упругости сталий меди (20,210 и 12,5 ф 10 Па соответстенно), пренебрегают податлиЙостью инерционного элемента, считаяело абсолютно жестким.Коэффициент податливости цилиндрмческой части крешерного столбикаопределяют из закона Гука739302 10Г - модуль упБ - л ругости меди;и ощад ь сечения цили ндрической части крешерного столбика,Коэффициент податливости цилиндрической части крешерного столбика равен Масса цилиндрической части крешера,участвующая в колебательном движении,равна(6) Масса конической части крешера,участвующая в колебаниях, равнаО 8 1 0,16781 (7) Коэффициент податливости конуснойчасти крешерного столбика вытекает2 также из закона Гука1 Ь 1 Ь 1С = и ЬС = -- = ----ЕБ ЕБ л 12 "Рн Е 1 йа -2 1 г. - 11,ф 1,фЕС 82щ поскольку 1 1 + ргде 1 - величина конструктивногоОпритупления вершины крешера,К -.величина смятия конуса кре,шера инерционным элементом при ударе или при статической тарировке.Положив 6 Ей 8 - 1 = ф, получаютг 8Я1 г.- 1 О - бС ---- ю (8)он= (1 + )Подставив полученные выражения (5)- (8) в (3) имеют где- угол. конусной части крешера. З 0 Интегрируя по 1 полученное выра, жение, получаютгд 1Са 1и Ейа - 11 12 - 1 е) +0( 1 (9)ГВ О(1, +М) УКак видно иэ уравнения, собствен" ная частота рассматриваемой системы зависит от степени О(, смятия кону" са крешера. Чем больше смят конус, тем выше собственная частота.Зависимостьот силы смятия Р выражается уравнением1106 = г 11 дР - Ь,Иэ имеющейся тарировоцной таблицы крешера, выполненного согласно фиг77 определена зависимость1 ДР= 086931 ЦР -5,12, . (М где 06 " деформация крешера, м Г - сила воздействия инерционного элемента,Преобразуя уравнение (10), получают.7,6 10 (аИ) , м(11)Поскольку деформацияимеет нелинейную зависимость от силы Р, ли" неаризуют ее на участке значений И от 0 до 10 710 з кг, т.е. в диапазоне широко используемых масс инерционных элементов,В результате получают зависимость О 6 З,Ь 6 10 аИ Ка И (12)Зависимость (12) дает погрешность в определении 06 по сравнению с точной зависимостью (11), не превышающую .153 в диапазоне масс инерционных элементов Оа 1. 10 кг,С учетом полученного выражения+ ХЕВ Я(1, + КафтМ) ц Решая это уравнение относительно массы инерционного элемента И, полу" чаютаВ+ Иаааааааааааааа/е Я 2 )7 а. Ф. 11Яи Ейд 1 кг/сКа= 3,5610 а , м/кг.аПри расчете групп .крешеров, ориентировочно определяют собственную частоту продольных колебаний исследуемого изделия согласно формуле (2). Группа крешеров должна состоять из трех-пяти комплектов инерционных масси столбиков. Высоту первого базового крешерного столбика, минимальную, обладающую максимальной частотой, принимают равной 4,89 "10 м, т.еб стан-,. дартной, а каждый предыдущий выполняется выше последующего по частоте2 в 1,7-1,8 раза. Первому столбику присваивают частоту свободных колебаний,равную заданной, и,.пользуясь формулой (13), определяют массу инерци"онного элемента . Каждому предыдущемустолбику присваивается частота,.массы находятся аналогично по (13).Применение изобретения приводит кповышению точности и информативностиподчас весьма дорогостоящих испыта ний, для реализации которых, при зна"чительных ускорениях удара, приме"няются даже тележки с разгоном реак"тивными двигателями. В этих случаях. результаты измерений от других сред 4 О средств, как, например, пьезоэлектри"цеские акселерометры, могут передаваться по каналам радиотелеметрии при.,утрате по какой-либо причине этойинформации, единственными достовер 4 э ными источниками данных измерений являются результаты измерений, получен"ные с помощью контактных предельныхпреобразователей. Поэтому повышениеих информативности и точности яваЫ ляется актуальной задачей, приводя- .щей к зкономии значительных средств.формула изобретенияУстройство для измерения ударныхускорений с помощью контактных предельных преобразователей, содержащее крешерные столбики, размещенные между основанием и инерционными эле.5 ментами, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точностии информативности измерений, высотацилиндрической части каждого предыдущего крешерного столбика превышаетвысоту последующего столбика на множитель 1,7-1,8 а массы инерционныхэлементов определяют из соотношения В+(11 ЕСЕ 1, кг/сг гКа т= 3 6 10 аоЛ м/кг,Я - площадь сечения крешерногостолбика, мф;1 - высота притупления столби 6ка, м,1 - полная высота коническойй10 части столбика, м,Е - модуль упругости материаластолбика, Н/м;Г" плотность материала столбика, кг/м15 " угол вершины конуса столбика, .а " величина предполагаемогоускорения, м /с,Я - задаваемая собственнаяЮ частота. колебаний массыинерционного. элемента накрешерном столбике,1 - высота цилиндрической части крешерного столбика,25мвпри этом чистота колебаний предыдущей массы инерционного элемента накрешерном столбике меньше частоты последующего на делитель 1,4.